融合5G鐵路全連接智能信息網(wǎng)絡(luò)研究

劉默涵 曲成昊

【摘要】 ? ?5G新技術(shù)將改變鐵路信息網(wǎng)絡(luò)。本文通過(guò)對(duì)5G技術(shù)進(jìn)行研究結(jié)合鐵路信息網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)需求，提出了適用于鐵路信息網(wǎng)路的全連接解決方案， 并對(duì)融合性進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】 ? ?鐵路信息網(wǎng)絡(luò) ? ?5G ? ? 切片

一、概述

國(guó)家新基建發(fā)展的新理念，將會(huì)引領(lǐng)以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展需要，提供數(shù)字轉(zhuǎn)型和智能升級(jí)、融合創(chuàng)新等服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施體系建設(shè)的發(fā)展思路。而鐵路網(wǎng)的建設(shè)（特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通建設(shè)）以及鐵路網(wǎng)輔助應(yīng)用（高清晰視頻監(jiān)控、高精度鐵路網(wǎng)管控、高質(zhì)量人臉識(shí)別對(duì)鐵路系統(tǒng)的智能監(jiān)控、高體驗(yàn)的鐵路票務(wù)系統(tǒng)服務(wù)、高效率鐵路智能倉(cāng)儲(chǔ)配送）都需要與新技術(shù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，推從5G網(wǎng)絡(luò)與鐵路高質(zhì)量應(yīng)用發(fā)展相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息基礎(chǔ)設(shè)施在鐵路實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深度融合，發(fā)展出5G網(wǎng)絡(luò)+鐵路應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的融合基礎(chǔ)發(fā)展和創(chuàng)新基礎(chǔ)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)十四五計(jì)劃中鐵路網(wǎng)絡(luò)服務(wù)滿(mǎn)足國(guó)家新基建和戰(zhàn)略層面發(fā)展的需求。

隨著智能鐵路的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，鐵路基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)檢測(cè)的業(yè)務(wù)需求使得越來(lái)越多的設(shè)備通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)回傳，2、3、4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為鐵路發(fā)展提供一張基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)。這張網(wǎng)已經(jīng)提供了包括在鐵路網(wǎng)應(yīng)用的終端管理、數(shù)據(jù)傳輸安全、SIM卡管理等基本管理能力，解決了鐵路網(wǎng)的分散獨(dú)立發(fā)展的瓶頸，完成了鐵路信息網(wǎng)絡(luò)海量終端的有效管理，實(shí)現(xiàn)了鐵路在生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、監(jiān)控和服務(wù)方面的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用承載和集中核心管理的能力。

二、5G網(wǎng)絡(luò)特性在鐵路服務(wù)中的應(yīng)用支撐

5G 具有三大網(wǎng)絡(luò)能力：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB，簡(jiǎn)稱(chēng)大帶寬）、低時(shí)延高可靠通信（uRLLC，簡(jiǎn)稱(chēng)低時(shí)延）及海量機(jī)器類(lèi)通信（ mMTC，簡(jiǎn)稱(chēng)大連接）。這些特性在千行百業(yè)中發(fā)揮了重大的信息化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的強(qiáng)有力的支撐，同樣在鐵路信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中也有廣大的應(yīng)用發(fā)展空間。

5G的高帶寬特性是來(lái)源于在5G網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用了新型64通道的大規(guī)模天線(xiàn)應(yīng)用，同時(shí)采用了新型的波束賦形的技術(shù)，讓5G網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用承載中的頻譜利用率有了很大的提升，同時(shí)在5G基站的配置中采用了DU/CU分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，讓5G基站的基帶資源得到了共享，并實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)接入的切片和云化的能力。這些技術(shù)都為5G的高速率帶寬打下了技術(shù)基礎(chǔ)，在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用上傳和下載速率有了極大的提升：

在5G網(wǎng)絡(luò)的典型配置下，5G網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)下行峰值容量可達(dá)5.2Gbps，上行峰值容量761Mbps，這為5G行業(yè)應(yīng)用提供了新應(yīng)用速率支撐，針對(duì)單用戶(hù)上下行峰值分別為190Mbps和1.74Gbps，相比4G網(wǎng)絡(luò)的上下行速率，提高了上行速率提升了10倍、下行速率提升了100倍。這就給鐵路信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的拓展提供更大的空間，以往的鐵路高清視頻監(jiān)控、鐵路自動(dòng)無(wú)人巡檢、鐵路遠(yuǎn)程會(huì)診維修都需要高帶寬上行，而鐵路應(yīng)用由于與鐵路機(jī)車(chē)的移動(dòng)性、鐵路的覆蓋廣特性影響，無(wú)法按照其他行業(yè)通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)、裸光纖等固定數(shù)據(jù)能力進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，而4G網(wǎng)絡(luò)的上行帶寬在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)特殊保障的情況下往往只能達(dá)到5M～10M的帶寬，對(duì)于高清視頻監(jiān)控、高清設(shè)備視頻維修檢測(cè)、高清巡檢都需要大于20M的帶寬上行帶寬傳輸，原有的4G物聯(lián)網(wǎng)無(wú)法支撐這種移動(dòng)性的高帶寬視頻承載，而5G網(wǎng)絡(luò)的基站特性為行業(yè)應(yīng)用提供了100M～200M的上行特性，從而就能結(jié)合視頻監(jiān)控終端、視頻檢查設(shè)備的升級(jí)到5G模組的植入，在產(chǎn)業(yè)鏈形成5G端到端的鐵路高清視頻監(jiān)控網(wǎng)。

鐵路信息網(wǎng)絡(luò)承載鐵路北斗基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)、應(yīng)急處置綜合管理應(yīng)用、機(jī)務(wù)段運(yùn)營(yíng)統(tǒng)一管理等應(yīng)用，同時(shí)還承載著聚合支付、應(yīng)急通信等基礎(chǔ)服務(wù)，這就要求有相應(yīng)的低時(shí)延和數(shù)據(jù)隔離的安全保障。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用廣發(fā)性提升，低時(shí)延和安全隔離性也成為行業(yè)對(duì)高科技網(wǎng)絡(luò)的迫切需求。

5G切片技術(shù)就是在解決行業(yè)應(yīng)用中對(duì)遠(yuǎn)程低時(shí)延控制和網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用、網(wǎng)絡(luò)隔離的需求中應(yīng)用而生的，5G網(wǎng)絡(luò)使用了多重隔離技術(shù)，這些隔離技術(shù)可以靈活的應(yīng)用組合，構(gòu)建不同隔離等級(jí)的軟/硬切片，滿(mǎn)足不同應(yīng)用和不同行業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)隔離的需求：

無(wú)線(xiàn)切片隔離：可以采用不同頻段的硬隔離，也可以采用基于切片優(yōu)先級(jí)調(diào)度的軟隔離，同時(shí)采用切片的接納控制手段對(duì)無(wú)線(xiàn)側(cè)的RB QCI等無(wú)線(xiàn)資源和QoS保障等級(jí)的控制;

承載切片隔離：可以采用FlexE的能力進(jìn)行傳輸網(wǎng)的硬隔離，可以用使用SR VPN的技術(shù)實(shí)現(xiàn)邏輯軟隔離;

核心網(wǎng)切片隔離：可以采用5GC獨(dú)立布設(shè)核心網(wǎng)的方式進(jìn)行硬隔離，也可以通過(guò)控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的共享優(yōu)先級(jí)調(diào)度控制，通過(guò)全局的NSSAI切片標(biāo)識(shí)進(jìn)行帶寬、時(shí)延的控制，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)5GC核心網(wǎng)的能力預(yù)留和能力調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)的軟隔離。

有了這三層的5G切片隔離技術(shù)，就能為鐵路行業(yè)應(yīng)用提供定制化的切片，以端到端切片能力開(kāi)放的理念構(gòu)建業(yè)務(wù)管理層;以統(tǒng)籌編排統(tǒng)一部署的策略實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)＼核心＼傳輸層資源配置。通過(guò)5G的端到端切片能力，可以在北斗基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)、應(yīng)急處置綜合管理應(yīng)用、機(jī)務(wù)段運(yùn)營(yíng)統(tǒng)一管理等應(yīng)用，聚合支付應(yīng)用等多個(gè)應(yīng)用中，形成不同的業(yè)務(wù)切片，業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)控制都分別在各自的網(wǎng)絡(luò)端到端的切片中進(jìn)行執(zhí)行，切片的隔離讓不同的應(yīng)用跑在不同的通道上，而不同的5G網(wǎng)絡(luò)通道可以設(shè)置不同的上/下行數(shù)據(jù)的速率和帶寬保證，比如在北斗基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中，對(duì)帶寬的要求更高一些，因此該5G切片主要保障上行帶寬;而應(yīng)急處置管理應(yīng)用由于控制的需要，要求控制時(shí)延和響應(yīng)時(shí)延要高，對(duì)帶寬次之，這就可以設(shè)置該切片的能力保障以時(shí)延保障為主;而不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)和控制消息也隔離在不同的切片中，確保了應(yīng)用之間的安全性，防止應(yīng)用數(shù)據(jù)竊取和應(yīng)用控制被外來(lái)攻擊。

5G+邊緣計(jì)算能力結(jié)合，又能為鐵路信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了另外一個(gè)拓展空間和應(yīng)用利器。充分利用5G網(wǎng)絡(luò)UPF下沉的能力，讓邊緣計(jì)算的應(yīng)用成為可能，MEC是集通訊、網(wǎng)絡(luò)能力，云，智能，以及應(yīng)用能力為一體的DICT智能信息節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)讓5G、IoT和AI的應(yīng)用能力結(jié)合在一起，滿(mǎn)足鐵路應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理提出了新的技術(shù)要求。例如在采集人臉識(shí)別，表情識(shí)別等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)安防及客戶(hù)感知監(jiān)控與優(yōu)化的應(yīng)用中，就能采用5G+邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)能力。在鐵路信息網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)中，由于是全網(wǎng)布設(shè)，應(yīng)用都是集中到核心服務(wù)器進(jìn)行處理，如果在廣州進(jìn)行人臉識(shí)別的應(yīng)用，往往需要從廣州的終端節(jié)點(diǎn)跑到其他城市（應(yīng)用服務(wù)器放置在哪個(gè)省，就會(huì)在哪個(gè)省核心服務(wù)提供）。這就造成了極大的數(shù)據(jù)處理的無(wú)法實(shí)時(shí)快速響應(yīng)。而當(dāng)該應(yīng)用的部署依托了5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)下沉能力，結(jié)合UPF的特性，將服務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心從“云+端”集中式架構(gòu)向“云+邊+端”分布式架構(gòu)演變。

三、5G鐵路專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)思路和應(yīng)用承接方案

5G網(wǎng)絡(luò)的誕生使能千行萬(wàn)業(yè)不斷發(fā)展，上述所涉及的5G網(wǎng)絡(luò)性能：高帶寬、低時(shí)延和大鏈接的三大5G網(wǎng)絡(luò)特性和兩大5G網(wǎng)絡(luò)能力：5G切片能力和5G邊緣計(jì)算能力給行業(yè)帶來(lái)了高質(zhì)量的服務(wù)，為了更好滿(mǎn)足而對(duì)于鐵路網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開(kāi)始為垂直行業(yè)的需求為目標(biāo)，進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

這就讓鐵路信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展可以按照專(zhuān)屬的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)資源和專(zhuān)有的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)轉(zhuǎn)型，啟動(dòng)5G鐵路專(zhuān)網(wǎng)的建設(shè)，以發(fā)揮業(yè)務(wù)的專(zhuān)業(yè)沉淀，塑造精品的5G鐵路專(zhuān)網(wǎng)形成布局優(yōu)勢(shì) 。

5G鐵路專(zhuān)網(wǎng)的應(yīng)該基于“靈活組網(wǎng)、按需定制” 原則，按照不同業(yè)務(wù)需求、不同城市特點(diǎn)和不同服務(wù)區(qū)域來(lái)進(jìn)行專(zhuān)網(wǎng)的建設(shè)落地。結(jié)合業(yè)務(wù)場(chǎng)景與實(shí)際需求進(jìn)行能力組合，按照5G專(zhuān)網(wǎng)的建設(shè)，5G鐵路信息網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)網(wǎng)可以按照以下的兩個(gè)建設(shè)模式進(jìn)行：

公網(wǎng)5G鐵路信息網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)共用模式：提供無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)覆蓋，通過(guò)邊緣計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)本地業(yè)務(wù)處理，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)不出場(chǎng)、超低時(shí)延等需求，為多類(lèi)鐵路應(yīng)用提供專(zhuān)屬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在這種建設(shè)模式下，可以通過(guò)5G無(wú)線(xiàn)側(cè)增強(qiáng)覆蓋，按需補(bǔ)點(diǎn)，按需調(diào)優(yōu)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)屬服務(wù)，通過(guò)UPF及MEP按需下沉實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)媒體面資源獨(dú)享。

專(zhuān)用5G鐵路信息網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)專(zhuān)用模式：通過(guò)對(duì)基站、頻率等專(zhuān)建共用，為鐵路服務(wù)應(yīng)用構(gòu)建專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，提供高安全性、高隔離度的專(zhuān)用定制化建網(wǎng)，在無(wú)線(xiàn)側(cè)采用基站或者頻率專(zhuān)用，通過(guò)獨(dú)占無(wú)線(xiàn)側(cè)資源，實(shí)現(xiàn)高隔離、高可靠;在核心網(wǎng)采用專(zhuān)用SA核心網(wǎng)，按需提供控制面資源（AMF/SMF/UDM）。

公網(wǎng)共用和專(zhuān)網(wǎng)專(zhuān)用的兩個(gè)模式的關(guān)鍵技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)功能和服務(wù)功能也有一些差別，可以結(jié)合鐵路業(yè)務(wù)和應(yīng)用特性來(lái)決定采用哪種5G專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)模式來(lái)進(jìn)行。

例如針對(duì)鐵路車(chē)站、鐵路重點(diǎn)路段的監(jiān)控需求，制定5G立體化指揮防控應(yīng)用解決方案，就可以通過(guò)共用的方式，構(gòu)建立體化數(shù)字安防體系以及情報(bào)、指揮、行動(dòng)一體化的5G專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的緊密融合。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)5G在鐵路車(chē)站的安檢、安控和立體指揮防控：

1、解決智能預(yù)警網(wǎng)絡(luò)無(wú)法實(shí)時(shí)交互瓶頸：5G低時(shí)延，高清視頻人臉識(shí)別和危險(xiǎn)物品識(shí)別的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性依賴(lài)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò);

2、立體安防需要越來(lái)越豐富的立體數(shù)據(jù)采集，5G大帶寬滿(mǎn)足各類(lèi)感知設(shè)備中的多路數(shù)據(jù)并行傳輸需求，如指揮車(chē)（現(xiàn)場(chǎng)指揮能力從分局下移），巡邏車(chē)的數(shù)據(jù)傳遞要求;

3、提高警務(wù)數(shù)據(jù)安全性：5G切片支持當(dāng)下警務(wù)數(shù)據(jù)移動(dòng)數(shù)據(jù)上大網(wǎng)，需要更高的端到端的QoS和安全性保障，靈活的數(shù)據(jù)調(diào)度。

四、小結(jié)

2020年疫情后，國(guó)家增加鐵路建設(shè)資本金，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡(luò)，拓展5G應(yīng)用。因此高速鐵路網(wǎng)的投建和高速鐵路信息網(wǎng)的建設(shè)需要同步進(jìn)行、相輔相成。要擁抱“新基建”，建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)，就要實(shí)現(xiàn)鐵路信息網(wǎng)絡(luò)的信息承載網(wǎng)絡(luò)的快速轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)對(duì)5G技術(shù)的深入了解和深度融合，鐵路發(fā)展離不開(kāi)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的引領(lǐng)下，在5G網(wǎng)絡(luò)的輔助下，未來(lái)動(dòng)車(chē)組的智能化程度會(huì)越來(lái)越高，而5G、大數(shù)據(jù)等技術(shù)應(yīng)用，將更快的提升鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施的智能化水平。